珠江口盆地東部碳酸鹽巖品質(zhì)因子測(cè)試與分析＊

汪瑞良 曾 驛 劉 軍 袁立忠 曹 均 周小康

(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司研究院; 2.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院)

巖石的礦物學(xué)狀態(tài)(裂隙、孔隙率、流體含量)、孔隙流體壓力與巖石圍壓等對(duì)巖石的地球物理特征有著重要的影響,測(cè)定巖石的地球物理特征,有助于對(duì)有關(guān)的巖性信息進(jìn)行預(yù)測(cè)和解釋。巖石品質(zhì)因子(Q值)是重要的巖石地球物理特征之一。珠江口盆地東部中新統(tǒng)(埋藏深度1300～2200 m)發(fā)育大規(guī)模的碳酸鹽巖沉積[1],利用成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的巖石物性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)(M TS)[2-3],對(duì)研究區(qū)一批碳酸鹽巖樣品進(jìn)行了測(cè)試,在此基礎(chǔ)上初步分析了研究區(qū)碳酸鹽巖縱、橫波品質(zhì)因子的變化規(guī)律,不僅對(duì)研究區(qū)油氣勘探具有重要意義,也為開(kāi)展碳酸鹽巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)及含油氣性檢測(cè)方法研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 樣品采集與加工

綜合考慮研究區(qū)碳酸鹽巖地質(zhì)、地球物理特征確定了如下采樣原則:①巖樣必須具有代表性;②樣品要盡量取自研究區(qū)不同的沉積相帶,既要有礁相、灘相巖樣,也要有瀉湖相巖樣;③為能與井資料進(jìn)行對(duì)比分析,要確保在有橫波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的井中取到巖樣;④巖樣要有一定的孔隙度分布范圍;⑤巖樣類(lèi)型要包括研究區(qū)不同類(lèi)型的碳酸鹽巖(如藻粘結(jié)巖、藻紋層灰?guī)r、有孔蟲(chóng)藻屑灰?guī)r、泥質(zhì)藻粉屑灰?guī)r、藻礫屑灰?guī)r等)。所采集樣品基本情況見(jiàn)表1。按照上述原則共取巖樣22個(gè),根據(jù)研究需要并考慮到目前實(shí)驗(yàn)的可操作性,分別對(duì)其中各7個(gè)巖樣進(jìn)行了飽水和飽油處理,其余為干樣(飽空氣)。孔隙水采用實(shí)驗(yàn)室蒸餾水樣;孔隙油采用真空泵油,其平均密度為0.88 g/cm3,粘度為70 m Pa·s(接近研究區(qū)原油平均密度0.93 g/cm3,粘度80 m Pa·s)。

表1 珠江口盆地東部碳酸鹽巖品質(zhì)因子測(cè)試巖樣基本情況統(tǒng)計(jì)表

2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試原理

已有研究成果表明,巖石物理狀態(tài)變化引起的地震波的衰減比波速引起的衰減更大,特別是飽和條件和孔隙流體性質(zhì)對(duì)衰減影響較大[4-7]。

2.1 地震波衰減系數(shù)及巖石品質(zhì)因子

通常采用巖石品質(zhì)因子 Q或倒數(shù)Q-1來(lái)表征波的衰減,品質(zhì)因子Q與衰減系數(shù)α的關(guān)系為

式(1)中: f為頻率;v為波速。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量地震波衰減的方法

地震波衰減的精確測(cè)量不僅要利用波的到達(dá)時(shí)間,而且還要利用波的振幅信息,而地震波的振幅除受內(nèi)稟阻尼的影響外,還受到波的幾何發(fā)散、反射以及散射等多種因素的影響。本次實(shí)驗(yàn)采用“傳播法”測(cè)量波在碳酸鹽巖中的衰減,并通過(guò)“譜比法”求取Q值。

為了消除波的幾何擴(kuò)散的影響,僅測(cè)量對(duì)平面波振幅的衰減,即用測(cè)2個(gè)樣(參考樣和巖樣)的方法來(lái)消除幾何擴(kuò)散等因素的影響。具體方法是選一個(gè)幾何形狀、直徑、長(zhǎng)度完全與巖樣相同的參考樣,測(cè)量超聲波分別透過(guò)參考樣和巖樣的振幅譜。

參考樣的振幅譜由下式表示:

巖樣的振幅譜為

式(2)、(3)中:A為振幅;x為波傳播的距離,如巖樣長(zhǎng)度;G(x)為幾何擴(kuò)散因子,包括反射和擴(kuò)散等;α(f)為與頻率有關(guān)的衰減系數(shù),即所要測(cè)定的參數(shù);其他符號(hào)意義同前。

對(duì)富氏振幅譜的比值兩邊取自然對(duì)數(shù)可得

當(dāng)2個(gè)樣品的幾何形狀、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)相同時(shí),G1(x)和 G2(x)是與頻率無(wú)關(guān)的比例因子,可由的最小二乘擬合直線(xiàn)的斜率求得(γ2-γ1)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量選用中心頻率為1 M Hz的超聲波,參考樣為鋁樣,其Q值大約為150000[8]。對(duì)于Q=10～100的巖石,γ1=0時(shí)引入的誤差不會(huì)超過(guò)0.1%,可忽略[8],則可由下式計(jì)算出巖樣的Q值:

式(5)中:k為擬合直線(xiàn)的斜率;v為樣品速度;其他符號(hào)意義同前。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 品質(zhì)因子與孔隙度、密度的關(guān)系

圖1為研究區(qū)碳酸鹽巖巖樣縱、橫波品質(zhì)因子與孔隙度的交會(huì)圖,可以看出:巖樣縱波品質(zhì)因子整體上隨孔隙度的增大而減小,但減小幅度具分段性,孔隙度小于10%時(shí)減小幅度較大,孔隙度增大于10%時(shí)減小幅度較小;而巖樣橫波品質(zhì)因子隨孔隙度的變化不很明顯。因此,可利用縱波品質(zhì)因子較好地識(shí)別研究區(qū)致密灰?guī)r和孔隙灰?guī)r。

圖1 研究區(qū)碳酸鹽巖巖樣縱、橫波品質(zhì)因子與孔隙度交會(huì)圖

圖2為研究區(qū)碳酸鹽巖巖樣縱、橫波品質(zhì)因子與密度的交會(huì)圖,可以看出:巖樣縱波品質(zhì)因子隨密度的增大而增大,而巖樣橫波品質(zhì)因子與密度的相關(guān)性不強(qiáng)。

整體上,由于研究區(qū)碳酸鹽巖埋藏較淺,與我國(guó)塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)集層和川東北下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組鮞?；?guī)r相比,其縱、橫波品質(zhì)因子偏低[9]。

圖2 研究區(qū)碳酸鹽巖巖樣縱、橫波品質(zhì)因子與密度交會(huì)圖

3.2 品質(zhì)因子與溫度、壓力的關(guān)系

圖3 研究區(qū)部分灰?guī)r巖樣縱、橫波品質(zhì)因子與壓力交會(huì)圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,在溫度保持不變的情況下,研究區(qū)多數(shù)碳酸鹽巖樣品的縱、橫波品質(zhì)因子隨壓力(本文指有效壓力,在實(shí)驗(yàn)室為軸壓與圍壓之差)的增大呈增大趨勢(shì)。圖3示出了研究區(qū)部分灰?guī)r巖樣縱、橫波品質(zhì)因子與壓力的關(guān)系。分析認(rèn)為,壓力影響顆粒邊界的接觸方式,當(dāng)壓力很低時(shí),顆粒之間的裂隙較大,波從裂隙一側(cè)傳遞到另一側(cè)能量損失較大,相應(yīng)的彈性波衰減較大;而在高壓下,大部分微裂隙已經(jīng)閉合,波從層理面的一側(cè)傳遞到另一側(cè)能量損失較小,因此彈性波衰減較小。統(tǒng)計(jì)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在壓力從常壓(1個(gè)大氣壓)變化到采樣點(diǎn)地層壓力時(shí),研究區(qū)碳酸鹽巖巖樣有效壓力的平均變化為15.14 M Pa,縱、橫波品質(zhì)因子分別增加4.41和 4.73,增加幅度分別為 43%和27%,變化幅度較大,而對(duì)應(yīng)的縱、橫波速度的變化幅度在10%以下[10],遠(yuǎn)小于縱、橫波品質(zhì)因子的變化幅度。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,在保持地層壓力不變的狀態(tài)下,研究區(qū)多數(shù)碳酸鹽巖巖樣的縱、橫波品質(zhì)因子隨著溫度的升高而減小。圖4示出了地層壓力狀態(tài)下研究區(qū)部分灰?guī)r巖樣縱、橫波品質(zhì)因子與溫度的關(guān)系,可以看出,巖樣的縱、橫波品質(zhì)因子與溫度之間存在著一定的線(xiàn)性關(guān)系。分析認(rèn)為,在高溫條件下 ,巖石內(nèi)部容易發(fā)生脫水、熔融和相變,導(dǎo)致彈性波的衰減增大。統(tǒng)計(jì)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在溫度從常溫(地表溫度)變化到地層溫度時(shí),研究區(qū)碳酸鹽巖巖樣縱、橫波品質(zhì)因子分別減小4.75和7.39,降低幅度分別為22%和20%,變化幅度較大,而對(duì)應(yīng)的縱、橫波速度的變化僅為1%～3%[10],遠(yuǎn)小于縱、橫波品質(zhì)因子的變化幅度。

圖4 研究區(qū)部分灰?guī)r巖樣縱、橫波品質(zhì)因子與溫度交會(huì)圖

對(duì)比溫度、壓力對(duì)巖樣的縱、橫波品質(zhì)因子的影響,可見(jiàn)壓力對(duì)Q值的影響是主要的,而溫度的影響是次要的。

3.3 含不同流體巖樣品質(zhì)因子初步分析

研究區(qū)含不同流體巖樣的縱、橫波品質(zhì)因子的測(cè)試結(jié)果(表2)表明,飽氣(空氣)、飽油、飽水巖樣的平均縱波品質(zhì)因子(Qp)分別為 5.30、9.29、10.51,說(shuō)明巖樣飽含氣、油、水等不同流體時(shí),縱波的衰減強(qiáng)弱表現(xiàn)為飽水＜飽油＜飽氣(空氣);相對(duì)于飽水巖樣,飽油巖樣的縱波品質(zhì)因子減小幅度為12%;而飽氣(空氣)巖樣的縱波品質(zhì)因子減小幅度達(dá)到49.5%,研究區(qū)飽氣(空氣)、飽油、飽水巖樣的平均橫波品質(zhì)因子(Qs)分別為 16.54、14.61、12.97,整體上看相差不大。

表2 研究區(qū)碳酸鹽巖巖樣縱、橫波品質(zhì)因子統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)珠江口盆地碳酸鹽巖巖樣縱、橫波品質(zhì)因子的測(cè)試與分析,首次從實(shí)驗(yàn)室獲得了研究區(qū)碳酸鹽巖縱、橫波品質(zhì)因子(Q值)隨孔隙度、密度、溫度、壓力變化的規(guī)律,對(duì)飽氣(空氣)、飽油、飽水等3組巖樣的縱、橫波品質(zhì)因子統(tǒng)計(jì)分析表明:縱波品質(zhì)因子的變化幅度較橫波品質(zhì)因子大;縱、橫波品質(zhì)因子的變化幅度明顯大于縱、橫波速度的變化幅度。

需要說(shuō)明的是,本文數(shù)據(jù)均由實(shí)驗(yàn)室測(cè)得,所有數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢查及核實(shí)。實(shí)驗(yàn)室選用的聲波中心頻率為1 M Hz,與實(shí)際地震波的頻率有較大差異,其Q值結(jié)果會(huì)有一定的系統(tǒng)誤差,但從測(cè)井分析的結(jié)果來(lái)看,其整體規(guī)律沒(méi)有改變,我們認(rèn)為其結(jié)果反映了研究區(qū)碳酸鹽巖Q值的變化規(guī)律,對(duì)研究區(qū)碳酸鹽巖的勘探開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。目前,在流花油田周邊已嘗試應(yīng)用本套數(shù)據(jù)進(jìn)行油氣檢測(cè)及儲(chǔ)層預(yù)測(cè),得到了較好的效果。

致謝:本項(xiàng)目得到成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持,特此感謝。

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